基于AD變采樣抑制多普勒的移動(dòng)水聲通信系統(tǒng)

王小陽(yáng), 鄭思遠(yuǎn), 李 斌, 童 峰

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基于AD變采樣抑制多普勒的移動(dòng)水聲通信系統(tǒng)

王小陽(yáng), 鄭思遠(yuǎn), 李 斌, 童 峰

(廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 廈門, 361005)

針對(duì)自主式水下航行器(AUV)等水下移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)水聲通信中的多普勒問(wèn)題, 考慮到傳統(tǒng)的軟件變采樣多普勒校正方法需要先接受完整的一幀信號(hào), 并在多普勒估計(jì)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行重采樣, 運(yùn)算復(fù)雜度較高, 硬件實(shí)現(xiàn)較難。文中提出了基于模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)變采樣抑制多普勒的AUV移動(dòng)通信方案, 在信號(hào)的前段做多普勒估計(jì), 而后通過(guò)微控制單元(MCU)調(diào)整AD采樣率接收信號(hào), 相當(dāng)于直接對(duì)信號(hào)做多普勒補(bǔ)償。根據(jù)該方案所設(shè)計(jì)的水聲通信系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)通信, 并且改善了通信質(zhì)量; 同時(shí)采用直接擴(kuò)展頻譜技術(shù)和信道編碼, 進(jìn)一步提高了通信性能, 海試驗(yàn)證了該方法的有效性。

自主式水下航行器(AUV); 移動(dòng)水聲通信; 多普勒補(bǔ)償; AD變采樣

0 引言

當(dāng)前水聲通信面臨多徑擴(kuò)展、時(shí)變衰落、多普勒時(shí)域和頻域擴(kuò)展等問(wèn)題[1]。隨著海洋資源的深入開(kāi)發(fā), 各類水下自主移動(dòng)平臺(tái)(如AUV、ROV等)被應(yīng)用于完成水下勘測(cè)、試驗(yàn)、航行等多種工作。而基于移動(dòng)平臺(tái)的水聲通信其最大難題就是如何克服由平臺(tái)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒擴(kuò)展, 發(fā)射端調(diào)整發(fā)射信號(hào)幀格式、接收端進(jìn)行多普勒估計(jì)等信號(hào)處理方式尤為關(guān)鍵[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于水聲多普勒信號(hào)處理方式也在不斷嘗試中。Johnson等[3]提出一組相關(guān)器與接收信號(hào)求相關(guān)的方法, 利用相關(guān)峰值最高的相關(guān)器計(jì)算多普勒因子。Sharif等[4]提出用線性調(diào)頻(linear frequency modulation, LFM)信號(hào)對(duì)多普勒進(jìn)行估計(jì), 根據(jù)2個(gè)LFM相關(guān)峰值間隔做多普勒估計(jì), 該方法簡(jiǎn)單穩(wěn)健, 但估計(jì)精度依賴線性調(diào)頻插入的間隔, 若提高估計(jì)精度在一定程度上會(huì)影響通信效率。Tu等[5]針對(duì)不同傳播路徑中存在的不同多普勒因子, 在接收端設(shè)計(jì)一種可匹配特定路徑多普勒因子的重采樣方案, 但在淺海信道復(fù)雜多徑下的多普勒需花費(fèi)大量時(shí)間匹配多普勒因子。何成兵等[6]提出一種可自動(dòng)匹配水聲多徑信道的精確多普勒頻移估計(jì)方法, 該方案信道適應(yīng)性強(qiáng)且估計(jì)精度高。岳玲等[7]利用雙曲調(diào)頻的多普勒不變性, 提出一種適用于低信噪比下收發(fā)雙方高速移動(dòng)的多普勒估計(jì)和補(bǔ)償方法。崔健等[8]提出用循環(huán)前綴, 針對(duì)水聲系統(tǒng)進(jìn)行多普勒估計(jì), 該算法有較高的精度。

上述研究多集中于如何提高多普勒因子估計(jì)精度, 而考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)通信效率的研究則比較少。常規(guī)多普勒信號(hào)處理方式需要在1幀信號(hào)接收完成后得到多普勒估計(jì)值, 再對(duì)整幀信號(hào)進(jìn)行重采樣或線性差值計(jì)算, 軟件重采樣需要先將信號(hào)重構(gòu), 再進(jìn)行二次采樣, 運(yùn)算復(fù)雜度較高。

文中針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的水聲通信問(wèn)題, 采用擴(kuò)頻調(diào)制體制保證通信的可靠性, 將信號(hào)幀中的同步信號(hào)同時(shí)作為多普勒估計(jì)信號(hào), 當(dāng)通信過(guò)程中信號(hào)同步完成時(shí), 多普勒估計(jì)結(jié)果也會(huì)相應(yīng)計(jì)算出來(lái)。此時(shí), 利用估計(jì)結(jié)果在解調(diào)前變換信號(hào)采樣率, 能夠大大提升系統(tǒng)在移動(dòng)平臺(tái)工作時(shí)的通信性能。利用該方案設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)具有算法復(fù)雜度低, 能夠快速、實(shí)時(shí)解調(diào)且誤碼率低等優(yōu)點(diǎn), 最終通過(guò)海試試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

1 算法介紹

1.1 DS-DBPSK調(diào)制

擴(kuò)展頻譜技術(shù)是將要發(fā)送的信息通過(guò)偽隨機(jī)序列調(diào)制到很寬的頻帶上去, 再在接收端通過(guò)解調(diào)和解擴(kuò)過(guò)程恢復(fù)出發(fā)送的信息序列。擴(kuò)頻技術(shù)主要包括直接序列擴(kuò)頻(direct sequence spread spectrum, DSSS, 簡(jiǎn)稱DS)、跳頻、線性調(diào)頻和一些混合擴(kuò)頻等, 其中, DS系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力、抗多徑能力且能夠在較低的信噪比條件下工作[9], 因此文中采用DS方式。差分相干解調(diào)是將接收到的信號(hào)延遲1個(gè)碼元間隔后再與原信號(hào)相乘, 在完成解調(diào)的同時(shí)也完成了解差分, 經(jīng)過(guò)低通濾波后進(jìn)行抽樣判決。它的優(yōu)點(diǎn)是不需要產(chǎn)生本地相干載波, 而在水聲信道中對(duì)載波的估計(jì)和跟蹤是比較困難的。文中采用的是直接序列擴(kuò)頻-差分二相相移鍵控(DS-differential binany phase shift keying, DS-DBPSK)調(diào)制方式, 具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

1.2 多普勒時(shí)域估計(jì)

傳統(tǒng)時(shí)域估計(jì)是在信號(hào)幀的最前和最末端利用線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行多普勒估計(jì), 首先接收完整的1幀信號(hào)后計(jì)算多普勒偏移, 其次根據(jù)估計(jì)結(jié)果再對(duì)數(shù)據(jù)段做線性插值或重采樣。多普勒時(shí)域擴(kuò)展相當(dāng)于信號(hào)收縮或擴(kuò)展的程度[10], 可以取信號(hào)中兩側(cè)LFM的相關(guān)峰值得到信號(hào)時(shí)域長(zhǎng)度, 并根據(jù)式(1)計(jì)算出多普勒因子。

為了減少多普勒估計(jì)和補(bǔ)償時(shí)間, 所設(shè)計(jì)信號(hào)幀格式如圖2所示。通常利用傳統(tǒng)時(shí)域多普勒估計(jì), LFM信號(hào)應(yīng)在數(shù)據(jù)幀的兩端, 這樣可以保證所估計(jì)的多普勒偏移量是考慮整幀信號(hào)得到的結(jié)果, 但是需要犧牲信號(hào)處理時(shí)間。文中將LFM信號(hào)放在信號(hào)數(shù)據(jù)段之前, 多普勒處理可以在1個(gè)信號(hào)幀長(zhǎng)度內(nèi)完成。

當(dāng)多普勒偏移在短時(shí)間內(nèi)(即1幀信號(hào)長(zhǎng)度)沒(méi)有大幅度變化的情況下, 該方法解調(diào)性能等同于時(shí)域估計(jì)法。文中將系統(tǒng)搭載在移動(dòng)平臺(tái)上主要考慮平臺(tái)移動(dòng)帶來(lái)的多普勒偏移, 在海況平穩(wěn)的情況下可忽略水流的影響。在1幀信號(hào)內(nèi)移動(dòng)平臺(tái)可視為勻速航行, 因此采用這樣的方式不僅可以提高系統(tǒng)通信效率, 同時(shí)也可保證通信性能。

1.3 基于AD變采樣的多普勒補(bǔ)償

在通信過(guò)程中, 接收端完成信號(hào)同步后, 多普勒偏移估計(jì)也同時(shí)完成。此時(shí)根據(jù)估計(jì)結(jié)果可直接調(diào)整系統(tǒng)的AD采樣率, 相當(dāng)于對(duì)數(shù)據(jù)段信號(hào)做了一次多普勒補(bǔ)償。利用AD變采樣率的方法比較靈活方便, 即便對(duì)于小尺度的偏移量, 只要計(jì)算出對(duì)應(yīng)的重采樣率就可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理, 進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能, 便于硬件實(shí)現(xiàn)。

1.4 接收機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)

文中方案設(shè)計(jì)的接收機(jī)基于Coetex-M4內(nèi)核的STM32F4系列處理器實(shí)現(xiàn)。該處理器主頻最高可達(dá)168 MHz, 具有運(yùn)算周期短和功耗低的優(yōu)點(diǎn)。

接收機(jī)采用硬件變采樣的方法, 首先利用接收信號(hào)幀中的LFM信號(hào)進(jìn)行多普勒估計(jì), 接著調(diào)整硬件采樣率, 及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)段做多普勒補(bǔ)償。補(bǔ)償后的信號(hào)數(shù)據(jù)段送入接收機(jī), 其解調(diào)流程同經(jīng)典差分解調(diào)DS接收機(jī), 總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。利用數(shù)據(jù)前段做多普勒估計(jì)的方法可以及時(shí)調(diào)整硬件采樣率, 大大降低單片機(jī)內(nèi)算法的復(fù)雜度, 保證通信時(shí)效, 便于在AUV等小尺寸平臺(tái)進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。

2 理論分析

2.1 復(fù)雜度分析

文中1幀發(fā)射信號(hào)時(shí)長(zhǎng)為6.8 s, 信號(hào)采樣率為75000 Hz, 數(shù)據(jù)量為510000點(diǎn)。傳統(tǒng)多普勒補(bǔ)償即在多普勒估計(jì)后對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣, 具體是: 原信號(hào)序列先進(jìn)行整數(shù)因子倍的升采樣, 然后根據(jù)式(2)用線性插值算法求出輸出序列。

2.2 仿真分析

為了驗(yàn)證文中多普勒補(bǔ)償方法的有效性, 取中心頻率15.5 kHz的原始信號(hào)經(jīng)多普勒信道(為驗(yàn)證效果設(shè)置仿真頻偏較大, 實(shí)際行船或移動(dòng)平臺(tái)造成的頻偏較小, 范圍在幾十赫茲內(nèi)); 另外將多普勒信號(hào)經(jīng)由文中補(bǔ)償方案處理, 3組信號(hào)頻譜圖如圖4所示?？梢钥闯? 基于AD變采樣的多普勒補(bǔ)償方案可以有效改善多普勒頻率偏移。

3 海試試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)海域?yàn)閺B門港海域, 行船示意圖見(jiàn)圖5。船A拋錨定點(diǎn), 航行器B以3 kn的速度靠近船A, 隨著兩船靠近速度逐漸變慢。收發(fā)換能器相距1.2 km, 入水深度為3 m。聲速梯度見(jiàn)圖6。

為了進(jìn)行文中方法的性能評(píng)估, 試驗(yàn)時(shí)發(fā)射信號(hào)格式如圖7所示, 前段為多普勒估計(jì)段, 包含2個(gè)長(zhǎng)度為22.6 ms的LFM信號(hào), 作為多普勒測(cè)量信號(hào)。后段為數(shù)據(jù)段, 調(diào)制采用的載波頻率為15.5 kHz。發(fā)射端將長(zhǎng)度為48的字符串經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、卷積編碼、差分編碼等操作轉(zhuǎn)為二進(jìn)制類型的數(shù)據(jù), 共780 bit; 接著借助PN碼進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻完成信號(hào)調(diào)制。研究所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)采用先差分編碼再擴(kuò)頻的方法, 具有更良好的抗噪性能[11]。

3.2 結(jié)果分析

海試信道沖激響應(yīng)見(jiàn)圖8, 可以看出信道存在明顯的多徑。海試信道時(shí)變響應(yīng)見(jiàn)圖9[12], 可以看到, 由于收發(fā)平臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的明顯多普勒偏移, 在短時(shí)間內(nèi)多普勒偏移量較小, 符合大多數(shù)移動(dòng)平臺(tái)下的通信情況。此時(shí), 采用文中提出的基于AD變采樣的多普勒補(bǔ)償方法可以實(shí)時(shí)處理多普勒信號(hào), 能夠很好地改善通信質(zhì)量。

為了評(píng)估文中研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能, 從結(jié)果中選擇10幀信號(hào), 分別利用軟件、硬件進(jìn)行估計(jì)和解調(diào), 其中軟件利用matlab估計(jì), 硬件通過(guò)STM32單片機(jī)估計(jì), 它們對(duì)應(yīng)的頻偏值如圖10所示, 可以看出, 信號(hào)頻偏在5~20 Hz之間不等。圖11是這些信號(hào)所對(duì)應(yīng)的誤碼率曲線, 其中實(shí)線部分為硬件解調(diào)誤碼率曲線, 虛線為軟件解調(diào)誤碼率曲線。分別比較了多普勒補(bǔ)償前、補(bǔ)償后和經(jīng)過(guò)信道編碼的誤碼率結(jié)果, 可以看出, 信號(hào)解調(diào)誤碼率和對(duì)應(yīng)的多普勒頻偏呈正相關(guān)。從整體結(jié)果看, 軟件解調(diào)性能稍優(yōu)于硬件解調(diào), 但相差不多, 分析原因可能是硬件的采樣芯片、系統(tǒng)時(shí)鐘等的精度不如軟件。另外, 經(jīng)過(guò)多普勒補(bǔ)償后的誤碼率低于0.06, 通信性能明顯優(yōu)于信號(hào)補(bǔ)償前的情況, 結(jié)合文中采用的差分編碼能進(jìn)一步提升水下通信質(zhì)量, 通信誤碼率達(dá)到0.01以下?？傮w看來(lái), 基于AD變采樣的多普勒補(bǔ)償方式能起到很好的補(bǔ)償效果, 并且在多普勒偏移量較小時(shí)(頻偏量6 Hz左右), 無(wú)需采用線性插值對(duì)信號(hào)重新處理, 利用AD采樣的靈活性可以任意修改采樣率以滿足大多數(shù)條件下的多普勒補(bǔ)償。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)上的水聲通信系統(tǒng), 提出一種基于AD變采樣的多普勒補(bǔ)償方法, 該方案可大大減少系統(tǒng)內(nèi)算法處理時(shí)間, 使系統(tǒng)能在平臺(tái)航行時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)水聲通信。海試試驗(yàn)結(jié)果表明, 文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)處理水聲信道中的多普勒效應(yīng), 能夠提高系統(tǒng)性能, 降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度, 且通信效果良好。

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Mobile Underwater Acoustic Communication System Based on AD Variable Sampling

WANG Xiao-yang, ZHENG Si-yuan, LI Bin, TONG Feng

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology of the Ministry of Education, College of Ocean & Earth Sciences, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

For the Doppler problem in mobile underwater acoustic communication of underwater mobile platforms such as autonomous undersea vehicle(AUV), the traditional software variable sampling Doppler correction method needs to accept one complete frame signal at first, and the signal is resampled after Doppler estimation, so it has high computational complexity and is difficult to implement in hardware. In this paper, an AUV mobile communication scheme based on analog-to-digital(AD) variable sampling suppression Doppler is proposed. The Doppler estimation is performed in the front part of the signal, then the AD sampling rate is adjusted by the microcontroller unit(MCU) to receive the signal, which is equivalent to Doppler compensation directly to the signal. The underwater acoustic communication system designed according to the scheme can communicate in real time and improve the communication quality. Simultaneously, adopting the direct spread spectrum technology and channel coding helps further improve communication performance of the system. Sea trial verifies the effectiveness of the proposed scheme.

autonomous undersea vehicle(AUV); mobile underwater acoustic communication; Doppler compensation; AD variable sampling

TJ630.34; TN929.3

A

2096-3920(2018)05-0465-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.014

2018-07-30;

2018-09-10.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(11574258).

王小陽(yáng)(1993-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗曂ㄐ?

王小陽(yáng), 鄭思遠(yuǎn), 李斌, 等. 基于AD變采樣抑制多普勒的移動(dòng)水聲通信系統(tǒng)[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(5): 465-469.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)